سازگاری مبدل های حرارتی گرافیت با اسیدهای اکسید کننده مانند نیتریک و کرومیک چیست؟

پاشنه آشیل گرافیت حساسیت آن به عوامل اکسید کننده است. PTFE تقریباً نسبت به همه چیز بی اثر است. از سوی دیگر، گرافیت می تواند به سرعت توسط اسید نیتریک، اسید کرومیک و حتی جوشاندن اسید سولفوریک غلیظ تحت شرایط خاص مورد حمله قرار گیرد. مبدل های حرارتی گرافیت غیرقابل نفوذ در شرایط کاهشی (مانند اسیدهای هیدروکلریک، سولفوریک رقیق، فسفریک) عمر مفید بسیار خوبی دارند اما سازگاری بسیار محدودی با اسیدهای اکسید کننده دارند. درک سازگاری گرافیت با اسیدهای اکسید کننده برای جلوگیری از خرابی تجهیزات فاجعه بار و خرابی های غیر ضروری بسیار مهم است.

مکانیسم حمله اکسیداتیو
گرافیت نوعی عنصر کربن است. اکسید کننده های قوی به طور شیمیایی به شبکه کربن حمله می کنند و آن را به دی اکسید کربن (CO 2)، مونوکسید کربن (CO) یا سایر مولکول های اکسید شده تبدیل می کنند. کل واکنش را می توان به صورت زیر تعمیم داد:

O2 + C(از اکسید کننده)=CO2 + O(از اکسید کننده)=COx

این فرآیند مواد گرافیت را می خورد و به آرامی کربن جامد را به گاز تبدیل می کند. این منجر به از دست دادن یکپارچگی ساختاری، سوراخ شدن سطح و در نهایت سوراخ شدن دیواره های لوله یا کانال های بلوک می شود. حفاظت اولیه توسط رزین آغشته کننده (معمولاً فنولی) انجام می شود که مانعی بین اکسید کننده و بستر گرافیت ایجاد می کند. اما خود رزین نیز مستعد اکسید شدن است. اگر رزین سوراخ شود - با حمله شیمیایی، میکروترک، چرخه حرارتی و غیره - گرافیت زیرین مستقیما مورد حمله قرار می گیرد و به سرعت از بین می رود.

در بسیاری از خدمات اکسید کننده، سرعت از دست دادن کربن به قدری سریع است که مبدل حرارتی گرافیت ممکن است طی چند روز یا چند هفته از کار بیفتد، نه چند سال.

اکسید کننده های رایج و ناسازگاری های خاص
سازگاری گرافیت Oxidising Acid PTFE Compatibility نظرات
Nitric acid (HNO3) Poor; degraded at >غلظت 5% در دمای گرم خوب تا 110 درجه رقیق (<5%) nitric acid at room temperature can be tolerated for short durations, but is not suggested for continuous service
اسید کرومیک (H2CrO4) بسیار ضعیف. تمام غلظت ها و دماها. تا 110 درجه عالی اسید کرومیک یک اکسید کننده قوی است. گرافیت توصیه نمی شود.
Sulphuric acid (H 2 SO 4 ) - concentrated, heated Limited; assaults start above 96% concentration and >150 C خوب تا 110 درجه سانتیگراد (محدود شده توسط دما) مقاوم در برابر گرافیت برای رقیق شدن تا 96% H2SO4 تا ~150 درجه سانتیگراد. نزدیک به 98٪ در دمای بالا اکسید می شود
اسید پرکلریک (HClO4) خطرناک. واکنش قوی محتمل عالی (سرد) گرافیت هرگز نباید با اسید پرکلریک به دلیل اکسیداسیون و خطر انفجار استفاده شود.
اسیدهای مخلوط (آکوا رژیا، اسید نیتروسولفوریک) ضعیف؛ حمله سریع ترکیبات اکسید کننده عالی تا 110 درجه نسبت به اسیدهای منفرد فعال تر هستند
اسید نیتریک: غلظت و محدودیت دما
حد سازگاری گرافیت با اسیدهای اکسید کننده برای اسید نیتریک بسیار شدید است. قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض دمای محیط (کمتر یا مساوی 30 درجه) و غلظت کمتر از حدود 5 درصد ممکن است باعث حمله ظاهری خفیف شود. با این حال، افزایش غلظت یا دما باعث افزایش قابل ملاحظه اکسیداسیون می شود. مبدل های حرارتی گرافیت در عرض چند ساعت در اسید نیتریک 10 تا 20 درصد و 50 درجه دچار تخریب سطح قابل توجهی می شوند. در 50٪ اسید نیتریک و دمای نزدیک به جوش، گرافیت به سرعت مصرف می شود.

در نتیجه، عمل صنعتی گرافیت را برای استفاده با اسید نیتریک مستثنی می‌کند، مگر اینکه اسید بسیار رقیق، سرد و در کاربردهای غیر بحرانی استفاده شود. با این حال، PTFE یا مواد دیگر (سرامیک، تانتالیم، زیرکونیوم) به شدت توصیه می شود.

اسید کرومیک: ناسازگاری سریع
اسید کرومیک (H2CrO4) یکی از قوی ترین مواد شیمیایی اکسید کننده موجود در عملیات صنعتی است. از آن در حمام های پولیش و آنودایز فلز استفاده می شود. در تمام غلظت ها و دماها از جمله محلول های رقیق سرد به گرافیت حمله می کند. هیچ پوشش محافظ رزینی اسید کرومیک را برای مدت طولانی تحمل نمی کند. هر قطعه گرافیت، مبدل حرارتی، شیر یا اسپارگر که در معرض اسید کرومیک قرار گیرد، معمولاً در عرض چند روز به سرعت می شکند. اگر دما کمتر از حد PTFE (حدود 110 درجه سانتیگراد) باشد، مبدلهای حرارتی PTFE برای کارهای گرمایش یا سرمایش اسید کرومیک معمول هستند.

اسید سولفوریک غلیظ داغ: مطالعه موردی انتقال
Graphite has found wide and successful usage in sulphuric acid service over much of the concentration range. Low (0-70%) and medium (70-93%) concentrations of sulphuric acid are well handled at temperatures up to 150-180°C. Concentrated sulphuric acid (>96٪ در دماهای متوسط ​​مناسب است (<=100°C). However, the oxidising power of sulphuric acid increases as the concentration near 98% and the temperature exceeds about 150°C. The acid then begins to function as an oxidiser and attacks the graphite lattice, not as a reducing acid. This is a well-known boundary: graphite oxidises and loses weight rapidly at 180°C and 98% H₂SO₄.

برای چنین عملیاتی (به عنوان مثال، تغلیظ اسید سولفوریک یا سرویس اولئوم) PTFE یک انتخاب عملی نیست زیرا دما بالاتر از حد عملیاتی است. در عوض از مبدل های حرارتی سرامیکی (شیشه ای، سیلیکون کاربید) یا تانتالیوم استفاده می شود.

چرا PTFE برای اسیدهای اکسید کننده بهتر است؟
پلی (تترا فلوئورواتیلن) ​​(PTFE) دارای ستون فقرات کربن-فلورین است. پیوندهای قوی کربن-فلوئور باعث می شود PTFE تقریباً در برابر همه مواد از جمله اکسید کننده های قوی مانند نیتریک، کرومیک و اسید سولفوریک غلیظ داغ (در دماهای متوسط) بی اثر شود. تحت این شرایط، PTFE اکسیده و خراب نمی شود. تنها محدودیت PTFE حداکثر دمای کار مداوم است که تقریباً 110-120 درجه برای PTFE جامد در کاربردهای مبدل حرارتی است. PTFE ماده انتخابی برای اکسیداسیون عملکرد اسیدی در آن محدوده دما است.

یک راهنمای بسیار خوب این است که گرافیت نباید در هیچ سرویسی استفاده شود که در آن یک اکسید کننده قوی در غلظت قابل توجه و دمای بیش از حد وجود دارد. این یک مرز شیمیایی سخت است: ساختار کربنی گرافیت بدون توجه به آغشته شدن رزین نمی تواند در برابر اکسیداسیون مقاومت کند.

شرایط و استثنائات اکسیدان رقیق
 

ارزیابی آسیب اکسیداتیو